一种宽带隙钙钛矿太阳能电池及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种宽带隙钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用，属于光电材料与器件领域。该发明专利技术将碘化铅，溴化铅，甲基碘化铵和甲基溴化铵按照摩尔比3:1:3:1溶解于离子液体醋酸甲铵中配制宽带隙钙钛矿前驱体溶液，并在空气中采用一步加热旋涂法将前驱体溶液旋涂在已沉积有电子传输材料和界面材料的ITO透明导电玻璃上，经过退火处理后形成表面致密平滑，结晶度高，缺陷态密度低且晶体取向好的宽带隙钙钛矿薄膜。所制备的宽带隙钙钛矿太阳能电池具有优异的光电转化效率和出色的器件稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带隙钙钛矿太阳能电池及其制备和应用
本专利技术涉及一种宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法及其应用，尤其是一种可制备出表面致密平滑、结晶度高、缺陷态密度低且晶体取向好的宽带隙钙钛矿薄膜及其钙钛矿太阳能电池器件的简单方法，属于光电材料与器件

技术介绍
能源一直是人类文明发展的重要推动力，化石能源的使用加速了科技的发展，提高了社会生产力。但是在社会现代化步伐加快的同时，“能源危机”以及化石能源燃烧所带来的环境污染问题也随之产生，这也越来越受到人们的重视。拓展可再生、环境友好的新能源势在必行。于是，水能、风能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等可再生能源的研究与开发应运而生。其中，“取之不尽，用之不竭”的太阳能是最清洁的能源，且获得便利，这对于社会的可持续发展至关重要。因此，太阳能作为未来人类重要的能源供给被寄予很大希望，而开发低成本、高效率的新型太阳能电池也成为近年来的研究热点。目前市场上占主导地位的硅基太阳能电池技术成熟，光电转换效率相对较高，但生产成本高，工艺复杂。第二代多元化合物薄膜太阳能电池光电转换效率较高，器件性能稳定，但这类电池使用的材料部分元素具有毒性或者储量稀少，限制了大面积的推广使用。因此，研究者们一直致力于寻找光电转换效率高、成本低、工艺简单、绿色环保的替代材料。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其优异的光电性质以及低成本、可低温处理、可大面积工艺制造等独特的优势在光伏研究领域取得了前所未有的进步，被认为是最有潜力的“第三代光伏材料”的代表之一。短短十年时间，其光电转换效率从3.8％迅猛提升到25.5％，接近占市场主导地位的晶硅太阳能电池的效率记录。其效率提升速度远超过传统晶硅、碲化镉和铜铟镓硒等第一、第二代光伏材料，因此，钙钛矿光伏器件有望成为下一代光伏器件的领跑者。然而，其效率还远低于单节太阳能电池的理论肖克利-奎伊瑟效率限制。将宽带隙顶部子电池和窄带隙底部子电池互连制造的串联光伏结构已被证明是一种可以提高器件光伏性能，使其超出单节太阳能电池效率限制并降低光伏发电平均成本的有效策略。相对于高速发展的窄带隙太阳能电池，宽带隙太阳能电池受到合适材料和研究方法的选择的高度限制。甲铵铅混合卤素钙钛矿的带隙连续可调性满足串联结构中顶部和底部电池之间电流和吸收范围匹配的带隙要求，成为宽带隙钙钛矿太阳能电池吸光材料的理想候选者。尽管宽带隙钙钛矿太阳能电池的研究已取得了显着进展，但在操作条件下，当钙钛矿的组分中溴含量超过20％时，通常在混合卤素钙钛矿合金中观察到可逆相偏析,即形成富含溴化物和富含碘化物的区域。这种所谓的“胡克效应”会导致宽带隙钙钛矿太阳能电池中较大的开路电压损失以及差的长期运行稳定性。此外，钙钛矿太阳能电池在1.7-1.9eV的最佳光学带隙范围内获得最大效率仍低于20％，这限制了低成本，溶液加工的钙钛矿基串联光伏组件的开发与应用。现在研究人员将重点放在组成调节，界面控制和器件结构优化上，很少有人关注钙钛矿前驱体溶液所用的溶剂。对于溶液处理的薄膜，溶剂效应可能会对薄膜质量产生重大影响，例如陷阱密度，晶体尺寸，稳定性。离子液体醋酸甲铵作为钙钛矿前驱体溶液的溶剂已成功在空气环境中制备出高器件效率和具有出色稳定性的钙钛矿太阳能电池。但是，对于宽带隙钙钛矿中这种离子液体溶剂的使用如何转化为钙钛矿薄膜的整体质量以及器件性能知之甚少。本专利技术研究首次在宽带隙钙钛矿中将醋酸甲铵作为钙钛矿前驱体溶液的溶剂，并对钙钛矿薄膜和器件性能的变化及相关机制原理进行深入探究。相较于传统混合溶剂DMF/DMSO，离子液体醋酸甲铵作为宽带隙钙钛矿前驱体溶剂，并采用一步加热旋涂技术制备的宽带隙钙钛矿薄膜及其钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性都得到了很大提升。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是针对宽带隙钙钛矿薄膜及其钙钛矿太阳能电池易在光照条件下发生光致相分离，降低薄膜的质量和器件性能，提出一种宽带隙钙钛矿薄膜及其钙钛矿太阳能电池的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)将碘化铅，溴化铅，甲基碘化铵和甲基溴化铵按照摩尔比3:1:3:1溶解于离子液体醋酸甲铵中配制宽带隙钙钛矿前驱体溶液，在50-70℃下搅拌6-12小时；(2)在清洗并且处理好的ITO透明导电玻璃上旋涂电子传输材料；(3)在旋涂好电子传输材料的ITO透明导电玻璃上旋涂界面材料；(4)在沉积有电子传输材料和界面材料的ITO基底上，采用一步加热旋涂技术制备宽带隙钙钛矿薄膜，经过退火处理后得到致密光滑，结晶度高，缺陷态密度低且晶体取向好的宽带隙钙钛矿薄膜(5)在此宽带隙钙钛矿薄膜上旋涂空穴传输材料；(6)在空穴传输材料上真空蒸镀界面修饰材料和金属电极。优选的，所述的步骤(1)中宽带隙钙钛矿前驱体溶液的浓度为300-600mg/mL。优选的，所述的步骤(2)中透明导电ITO电极上沉积的电子传输层为CPTA,其中CPTA以2-6mg/mL的浓度溶于DMF溶液中，具体步骤为：旋涂CPTA后，在140℃下退火10-30min。优选的，所述的步骤(3)中在旋涂好电子传输材料的ITO透明导电玻璃上旋涂的界面材料为BACl,其中BACl以10-30mg/mL的浓度溶于DMSO溶液中。优选的，所述的步骤(4)中制备宽带隙钙钛矿薄膜的加热旋涂技术的基底温度为70-120℃，退火温度为80-120℃，退火时间30s-30min。优选的，所述的步骤(5)中在宽带隙钙钛矿薄膜上旋涂的的空穴传输材料为Spiro-OMeTAD，具体操作如下：(1)将73.2mg的Spiro-OMeTAD溶解在1mL的氯苯中；(2)将520mg的锂盐溶解在1mL的乙腈溶液中；(3)将17.6μL锂盐溶液添加到Spiro-OMeTAD溶液中；(4)将28.8μLTBP溶液添加到Spiro-OMeTAD溶液中；(5)将混合溶液常温搅拌2小时。优选的，所述的步骤(6)中在宽带隙钙钛矿薄膜上真空蒸镀的界面修饰材料为MoO3，金属电极为Ag，具体步骤为：(1)修饰层MoO3的厚度为5nm；(2)金属Ag电极的厚度为100nm。优选的，包括以下步骤：步骤(1)将刻蚀好的ITO导电玻璃依次在乙醇、超纯水加清洗剂、超纯水、丙酮、乙醇中各超声20min，氮气吹干后放入120℃的烘箱中烘烤30min，得到洁净的ITO基底。步骤(2)将236.93mg的碘化铅，81.18mg的甲基碘化铵，62.87mg的溴化铅，19.01mg的甲基溴化铵溶于离子液体醋酸甲铵中，在60℃下搅拌12小时；步骤(3)将73.2mg的Spiro-OMeTAD溶解在1mL的氯苯中；将520mg的锂盐溶解在1mL的乙腈溶液中；添加17.6μL锂盐溶液到Spiro-OMeTAD溶液中；添加28.8μLTBP溶液到Spiro-OMeTAD溶液中；混合溶液整体搅拌2小时；步骤(4)将步骤(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将碘化铅，溴化铅，甲基碘化铵和甲基溴化铵按照摩尔比3:1:3:1溶解于离子液体醋酸甲铵中配制宽带隙钙钛矿前驱体溶液，在50-70℃下搅拌6-12小时；/n(2)在清洗并且处理好的ITO透明导电玻璃上旋涂电子传输材料；/n(3)在旋涂好电子传输材料的ITO透明导电玻璃上旋涂界面材料；/n(4)在沉积有电子传输材料和界面材料的ITO基底上，采用一步加热旋涂技术制备宽带隙钙钛矿薄膜，经过退火处理后得到致密光滑，结晶度高，缺陷态密度低且晶体取向好的宽带隙钙钛矿薄膜；/n(5)在此宽带隙钙钛矿薄膜上旋涂空穴传输材料；/n(6)在空穴传输材料上真空蒸镀界面修饰材料和金属电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碘化铅，溴化铅，甲基碘化铵和甲基溴化铵按照摩尔比3:1:3:1溶解于离子液体醋酸甲铵中配制宽带隙钙钛矿前驱体溶液，在50-70℃下搅拌6-12小时；
(2)在清洗并且处理好的ITO透明导电玻璃上旋涂电子传输材料；
(3)在旋涂好电子传输材料的ITO透明导电玻璃上旋涂界面材料；
(4)在沉积有电子传输材料和界面材料的ITO基底上，采用一步加热旋涂技术制备宽带隙钙钛矿薄膜，经过退火处理后得到致密光滑，结晶度高，缺陷态密度低且晶体取向好的宽带隙钙钛矿薄膜；
(5)在此宽带隙钙钛矿薄膜上旋涂空穴传输材料；
(6)在空穴传输材料上真空蒸镀界面修饰材料和金属电极。


2.根据权利要求1所述的宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中宽带隙钙钛矿前驱体溶液的浓度为300-600mg/mL。


3.根据权利要求1所述的宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中透明导电ITO电极上沉积的电子传输层为CPTA,其中CPTA以2-6mg/mL的浓度溶于DMF溶液中，具体步骤为：旋涂CPTA后，在140℃下退火10-30min。


4.根据权利要求1所述的宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中在旋涂好电子传输材料的ITO透明导电玻璃上旋涂的界面材料为BACl,其中BACl以10-30mg/mL的浓度溶于DMSO溶液中。


5.根据权利要求1所述的宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中制备宽带隙钙钛矿薄膜的加热旋涂技术的基底温度为70-120℃，退火温度80-120℃，退火时间为30s-30min。


6.根据权利要求1所述的宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中在宽带隙钙钛矿薄膜上旋涂的的空穴传输材料为Spiro-OMeTAD，具体操作如下：
(1)将73.2mg的Spiro-OMeTAD溶解在1mL的氯苯中；
(2)将520mg的锂盐溶解在1mL的乙腈溶液中；
(3)将17.6μL锂盐溶液添加到Spiro-OMeTAD溶液中；
(4)将28.8μLTBP溶液添加到Spiro-OMeTAD溶液中；
(5)将混合溶液常温搅拌2小时。


7.根据权利要求1所述的宽带隙钙钛矿太阳能电池的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永华，陶磊，夏英东，黄维，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32